Текст книги "Приключения радиолуча"

Автор книги: Валерий Родиков

ОЗАРЕНИЯ ОЛИВЕРА ХЕВИСАЙДА

С именем Оливера Хевисайда связаны многие открытия в области физики, прикладной математики, телеграфии. Это был гениальный самоучка, намного определивший свое время.

В частности, за 15 лет до Эйнштейна он получил знаменитую зависимость между энергией и массой Е = mc ², известную ныне как формула Эйнштейна.

Он был одним из создателей векторного исчисления. Теперь начала векторного исчисления преподают в школьном курсе математики и физики, но в то время, около ста лет назад, хотя понятие вектора и было известно, им практически не пользовались для описания физических явлений. Векторный способ представления уравнений Максвелла сделал их более наглядными и более доступными.

Курсы теоретических основ электротехники и радиотехники для студентов вузов электротехнических и радиотехнических специальностей начинаются с операторного метода расчета цепей, созданного Хевисайдом.

Для исследования переходных процессов в электрических цепях, то есть для изучения того, что в них происходит после подключения или отключения питания, при импульсных воздействиях Хевисайд ввел специальную функцию, которая получила название функции Хевисайда.

В приложении к электрическим цепям это, по сути, единичный скачок напряжения, а математически – такая функция равна нулю во все отрицательные моменты времени и равна единице во все положительные моменты времени.

Хевисайд пользовался в своих расчетах еще одной функцией. Он назвал ее импульсной. Для его современников-ученых функция казалась по меньшей мере странной. Она равнялась нулю во всех точках, кроме одной, где ее значение взлетало в бесконечность, но таким образом, чтобы интеграл от нее был равен единице. Хевисайд подробно разобрал свойство такой функции, которую он использовал для изучения импульсных воздействий на электрические цепи. Его работа была забыта, и через тридцать лет импульсную функцию переоткрыл и ввел в обиход физики английский ученый Дирак. Теперь она носит название дельта-функции Дирака.

Хевисайд внес большой вклад в теорию передачи электрических сигналов по линиям связи. Уравнения Хевисайда принесли огромные барыши телеграфным компаниям, а сам их создатель жил в бедности. Хевисайд был горд. Он не принимал пожертвований.

В 1902 году (одновременно с американским электротехником Кеннели) Хевисайд указал на существование высоко над поверхностью Земли ионизированного слоя, который должен отражать короткие радиоволны. Специалисты не сразу поверили открытию. И только в 1924 году, за два месяца до смерти Хевисайда, было получено подтверждение существования слоя. Его раньше называли слоем Хевисайда. В современной, даже узко специализированной литературе этого названия почти не встретишь. Тем удивительнее было увидеть его в стихах…

 
За слоем Хивсайда, за легкой пылью
Земной атмосферы безмолвье звучит.
Холодная вечность, дремучие крылья
Расправив в мирах, беспредельно парит.
   Планеты плывут по орбитам с шуршаньем,
   И где-то кометы, хвосты распустив,
   Летят по путям громовым мирозданья,
   Маршруты, как шпаги стальные, скрестив.
Дороги еще не изведаны эти,
Но время идет непреклонной судьбы,
Придет человек – от планеты к планете
Протянутся вдаль верстовые столбы.
 

Автор строк, датированных 1946 годом, поэт Сергей Орлов, фронтовик. Я недавно наткнулся на них, просматривая вышедший посмертно (в 1982 году) сборник его стихотворений. Забытое название – «слой Хивсайда» – привлекло мое внимание. Прочел стихотворение и восхитился: «Первый послевоенный год – и такая вера в будущее!» Спустя пятнадцать лет сквозь «слой Хивсайда» проложил трассу и отмерил первые космические версты Юрий Гагарин.

Кстати, Оливера Хевисайда Максвелл упоминает в своем знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме». Приведенные Максвеллом в главе «Измерения электрического сопротивления» результаты Хевисайда, пожалуй, самое малое, что сделал Хевисайд в области электромагнетизма.

Хевисайд купил «Трактат» Максвелла вскоре после его выхода. Можно сказать, что он определил всю его дальнейшую жизнь.

Чтобы осилить книгу, а она оказалась для него очень трудной, Хевисайду пришлось самостоятельно изучить высшую математику. На это ушло несколько лет. Но годы самоотверженной работы окупились сторицей. Ему, как и Герцу, удалось свести двенадцать уравнений, которые дал Максвелл в своем «Трактате», лишь к четырем (о них мы упоминали).

Многое из того, что сделал Хевисайд, входит в учебники по электричеству без всякого упоминания о его имени, хотя не только теоретические основы электротехники, но и ее язык, терминология в значительной мере созданы Хевисайдом. «Импеданс», «индуктивность», «проницаемость», «затухание», «отрицательное сопротивление», «линия без искажений»… Эти общеупотребительные сегодня термины введены Хевисайдом.

«…Он исследовал влияние земли, моря и верхней атмосферы на распространение радиоволн и объяснил, каким образом энергия распространяется между двумя удаленными точками, огибая кривизну земной поверхности…» – было написано в статье, посвященной памяти Хевисайда в журнале фирмы «Белл систем». Статья появилась не случайно. Американская фирма высоко оценила теоретические исследования Хевисайда для практики связи. А фирма была известна своей деловитостью.

Творчество Хевисайда многогранно и исследовано, видимо, еще не полностью. Об этом свидетельствует находка 1974 года. Она касается физического явления, названного свечением Черенкова – Вавилова. Суть явления в том, что заряженная частица при своем движении в какой-либо среде с постоянной скоростью, большей, чем скорость света, излучает в этой среде свет. Эффект обнаружил в 1934 году П. А. Черенков в серии опытов, предпринятых по инициативе академика С. И. Вавилова. Теория свечения была получена спустя три года в работах советских физиков И. Е. Тамма и И.М.Франка. Их выкладки были основаны опять же на уравнениях Максвелла. В 1958 году Тамму, Франку и Черепкову присудили Нобелевскую премию. Инициатора работы – Вавилова – в то время уже не было в живых. Он умер в 1951 году.

В середине 70-х годов из прошлого века вдруг «выплыла» на свет работа Хевисайда. В отечественном и зарубежном научных журналах в 1974 году была рассмотрена его теоретическая схема, в которой и возникает эффект Черенкова – Вавилова.

Предвидение Хевисайда намного опередило свое время и потому осталось без внимания. Открытие должно появляться вовремя, иначе о нем забудут. Небольшое упреждение необходимо, но именно небольшое, как в стрельбе по летящей цели. Конечно, вопрос о приоритете советских ученых не вызывает сомнения. Они экспериментально открыли и теоретически разобрались в загадочном свечении. Но нельзя не отдать должное и интуиции Хевисайда.

ОТ УРАВНЕНИИ МАКСВЕЛЛА К ВЕЛИКОМУ ОБЪЕДИНЕНИЮ

Хевисайд получил некоторые результаты, которые предвосхитили формулы из теории относительности. И это неудивительно, если учесть, что электродинамика Максвелла вошла полностью в специальную теорию относительности.

Можно даже сказать, что замечательные уравнения Максвелла и породили специальную теорию относительности.

Началось с того, что голландский ученый Гендрик Лоренц обнаружил интересное свойство уравнений Максвелла. Когда он определенным образом заменял в них переменные, то форма уравнений после подстановки не менялась. Выдающийся французский физик Анри Пуанкаре выражения для замены переменных так и назвал преобразованиями Лоренца. Кроме того, Пуанкаре впервые высказал мысль, что форма всех физических законов не должна меняться при замене переменных по формулам Лоренца. Эйнштейн, следуя этой мысли, изменил выражение для массы в механике Ньютона:

где m ₀– масса неподвижного тела, v – скорость движения тела, c – всем известная скорость света.

Благодаря такой подстановке и наступила гармония между уравнениями Ньютона и Максвелла. Конечно, это несколько упрощенное изложение истории теории относительности. Ведь нужно было еще и глубокое осмысление таких понятий, как пространство и время, чтобы постичь истинный смысл преобразований Лоренца.

Уравнения Максвелла объединили электрические, магнитные и световые явления. Да, и световые! То, что свет имеет электромагнитную природу, показал еще Фарадей в 1846 году. Он продемонстрировал, что обычный магнит воздействует на луч света. Потом возникла мысль, а нельзя ли силы гравитации и электромагнетизма связать едиными уравнениями, то есть создать единую теорию поля. Данной проблемой занимались многие выдающиеся умы, в том числе в последние годы жизни и Эйнштейн и Хевисайд.

Бывший инженер-связист, а впоследствии писатель-фантаст А. Кларк в своей книге «Голос через океан» приводит некоторые подробности, касающиеся этого факта.

Результаты исследований по единой теории поля Хевисайд изложил в четвертом томе своего обширного труда «Теория электромагнетизма». Три первых объемистых тома были опубликованы. А вот след рукописи четвертого тома потерялся, и несмотря на усиленные поиски, ее обнаружить не удалось. Однако известно, что она существовала и что Хевисайд передал ее какому-то американскому издателю, отказавшемуся выдать ему аванс в сумме тысячи фунтов стерлингов.

«Здесь заключена мучительная загадка, – пишет Кларк, – одна из тех, которые никогда не будут разрешены… Безусловно, копия рукописи имелась у Хевисайда дома, но, когда его поместили в больницу, никто, видимо, не подумал об этой стороне дела. Сообщение о смерти Хевисайда было немедленно передано Би-би-си. На другой же день предприимчивый вор-взломщик проник в пустой дом. Ценностей он там, конечно, не нашел, но украл много книг и рукописей. И вполне возможно, что современные физики бьются над какой-либо проблемой, решение которой было украдено февральской ночью 1925 года».

Конечно, утерянная рукопись вряд ли содержала результаты, изменившие наши современные физические представления. Наука пошла другим путем. Силы гравитации и электромагнитные силы оказались не единственными в природе. Физикам стали известны еще два вида фундаментальных сил – слабое и сильное взаимодействия. Если гравитация и электромагнитные силы дальнодействующие, то сильное и слабое взаимодействия проявляются на микроскопических расстояниях, гораздо меньших, чем размеры атомного ядра. Казалось, задача создания единой теории поля еще более усложнилась. Ведь под крышей одних уравнений придется объединять уже не две, а четыре силы.

Но вот в последнее десятилетие незаметно для нас – нефизиков – в науке происходит бесшумная революция. Если сравнить дорогу исканий с длинным темным туннелем, то теперь в его конце забрезжил свет. Появилась надежда создать единую теорию всех четырех сил природы: гравитационных, электромагнитных, сильного и слабого взаимодействия – так называемое великое объединение (или теорию супергравитации). Ключом к решению проблемы стала квантовая теория поля, в которой в последнее десятилетие произошел большой прогресс.

Уже теоретически и экспериментально подтверждено единство электромагнитного и слабого взаимодействий, которое назвали электрослабым. Создана модель, как называют физики, большого объединения, воедино связывающего сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Есть наметки, как распространить объединение на гравитационные силы.

Но в рамках теории большого объединения основной строительный материал нашего мира – протон – нестабилен.

На школьной скамье мы узнаем о протонах и электронах – электрически заряженных частицах атома. Протон – как бы его сердцевина, простейшее атомное ядро. Природа наделила протон устойчивостью, и благодаря этому счастливому обстоятельству существуем мы с вами и окружающий мир. Протоны – своего рода кирпичи материального мира, из которых построена вся природа, как живая, так и неживая. Только в человеческом теле их 10 ²⁹. Журналисты любят записывать числа во всем их великолепии, но для данного числа не хватило бы строчки в газетном столбце, ибо 29 нулей подряд в ней не уместились бы. Число огромное, даже название для него не придумано. Представление о нем дает такое сравнение: размер нашей Вселенной больше толщины однокопеечной монеты в 10 ²⁹раз.

«А вечен ли протон?» Вопрос интересует ученых. И вовсе не из-за боязни «конца света». Наоборот, они даже заинтересованы найти следы его распада. Это, пожалуй, единственная пока возможность экспериментально подтвердить теорию большого объединения. «Экспериментом века» назвали ученые начавшийся в 80-е годы поиск распада протона.

Что можно предварительно сказать о времени жизни протона? Вся наша предыстория говорит о том, что протон стабильная частица. Во всяком случае, ее жизнь на много порядков превышает 10 ¹⁵лет, или, иначе, миллион миллиардов лет. А это громадный временной интервал даже по сравнению с возрастом Вселенной, которая, по современным воззрениям, существует около десяти миллиардов лет. Если бы время жизни протона было меньше 10 ¹⁵лет, то из 1029 протонов нашего тела за один год их распалось бы более ста тысяч миллиардов, или, иначе, 10 ¹⁴. Никакой потери веса мы бы не ощутили, но вот доза радиации от такого распада была бы для человека, да и для любых сколь-нибудь крупных животных, смертельна.

По теории же большого объединения, время распада протона должно быть примерно 1030—1033 лет. Срок огромный, практически бесконечный по сравнению с тем, сколько уже прожила наша Вселенная с момента своего предполагаемого рождения – Большого взрыва. Именно тогда, как считают ученые, и родились протоны. Но протон не обязательно живет столь долго. Это среднее время его существования. А вот сколько проживет каждый конкретный протон, сказать нельзя. Если он все-таки распадается, то время жизни его случайно. Таковы законы микромира. Протон может погибнуть гораздо раньше своих компаньонов, а может и пережить их всех.

Идея «эксперимента века» проста. Надо взять огромную массу в принципе любого вещества и наблюдать длительное время, появятся ли в ней частицы, рожденные при распаде протона. Чем больше масса вещества, тем больше в ней протонов, тем больше вероятность того, что хотя бы несколько из них погибнут. Протонов должно быть очень много, в сотни раз больше ожидаемого времени распада. Нужное количество протонов выражается числом более чем с 34—35 нулями, и чтобы обеспечить его, масса вещества, называемая детектором, должна быть более десяти тысяч тонн. (Современные детекторы имеют пока меньшую массу.) И из бесконечного числа «целых» протонов за год непрерывного наблюдения могут распасться несколько частиц, продукты распада которых надо уловить специальными счетчиками. Задача потруднее, чем найти без применения технических средств иголку в стоге сена.

Поиск погибнувших протонов осложняется еще и тем, что в огромной массе вещества из-за радиоактивных примесей и космического фона будут распадаться и другие частицы, и эти события могут быть приняты за распад протонов. Чтобы преградить путь космическому фону, огромные детекторы прячут под большой толщей грунта или воды.

Но даже большая глубина не задержит нейтрино, рожденных космическими лучами в земной атмосфере. А они могут имитировать распад протона и практически не поглощаются всей толщей земного шара. Представляют опасность и мюоны, элементарные частицы в 207 раз тяжелее электронов. Проникая глубоко под землю, они могут рождать в детекторе частицы с теми же энергиями, что и распавшиеся протоны. Чтобы отличить ложный след от истинного распада, нужны тонкие ухищрения. В поиски распавшихся протонов включились крупные научные коллективы. Одно из первых приближений для времени распада было получено на Баксанском нейтринном сцинцилляционном телескопе. Следов распада обнаружено не было, поэтому, исходя из характеристик приборов, сделан вывод, что время распада не менее 1,5∙10 ³⁰лет. Первая установка, специализированная для изучения проблемы, создана индийскими и японскими специалистами в Индии в золотоносной шахте на трехкилометровой глубине. Замеренное здесь время распада составило около 10 ³¹лет. Впрочем, результату полностью доверять нельзя – впоследствии был найден еще один источник фона, связанный с мюонами, который мог бы дать такой же результат. Проводились наблюдения и на установках в США, Японии, однако пока нельзя достоверно сказать, что распад протона обнаружен.

Планируется строительство детекторов большой массы. Веществом обычно служит очищенная вода, а подсчет числа распавшихся протонов должны вести счетчики, регистрирующие излучение Черенкова – Вавилова.

Американские физики обсуждают проект детектора с массой 40—60 тысяч тонн. Напомню, что масса столичной гостиницы «Москва» (кстати, определенная с помощью мюонов) равна примерно 45 тысячам тонн.

Новое поколение детекторов, возможно, в конце концов обнаружит распавшийся протон. А если нет, значит, время его жизни превышает 10 ³³лет. Дальнейшие работы в этом направлении сложны и дороги. Может оказаться, что создать установку для измерения времени распада порядка 10 ³⁴лет легче на Луне, чем на Земле. Ведь на нашем спутнике нет всепроникающих атмосферных нейтрино, мешающих опытам. Кстати, проекты постройки детекторов на естественном спутнике нашей планеты уже обсуждаются учеными.

Обнаружат ли ученые распад протона, покажет будущее. Если нет, то тогда физики придумают другие эксперименты, косвенно подтверждающие теорию. На пути к большому объединению ожидаются и большие открытия. Физики настроены оптимистично. Они уверены, что будущие находки лишь подтвердят достигнутое. И кто знает, может, в недалеком будущем удастся проникнуть в святая святых природы – познать первооснову всех ее сил. Создаваемая теория великого без преувеличения объединения всех физических взаимодействий, как сказал академик Анатолий Логунов, «может произвести переворот в практической деятельности человека. Ведь с помощью одних сил можно будет управлять другими, превосходящими их во много раз».

А истоками современного поиска сути природных сил являются замечательные уравнения Максвелла, объединившие электричество, магнетизм и свет. И этим объединением мы обязаны интуиции Максвелла.

Мы живем в очень динамичное время. Чем глубже проникают физики в фундамент природы, тем больше «сногсшибательных» новостей появляется на свет. Не всегда, правда, они подтверждаются…

В самое последнее время стройную концепцию о четырех видах сил грозит нарушить возможное появление на физической сцене пятой силы. Основанием для сенсации послужили результаты некоторых экспериментов.

Со школы мы помним опыты Галилея, когда он бросал с Пизанской башни разные предметы. Ученый пришел к выводу, что без учета сопротивления воздуха все предметы вне зависимости от своей массы и характера материалов, из которых они изготовлены, падают на Землю с одинаковым ускорением. Спустя столетие Ньютон использовал результаты Галилея при создании теории всемирного тяготения. И вот фундаментальная основа принципа сегодня группой физиков из американского университета в Пердью ставится под сомнение. Высказывается предположение о существовании ранее неизвестной пятой силы, противодействующей силе тяжести, в результате чего различные по химическому составу предметы падают с неодинаковым ускорением. Правда, разница очень незначительна – на уровне одной стомиллионной, – и замерить ее сложно.

Для объяснения феномена физики предположили существование «антигравитационной» силы, которая зависит от гиперзаряда, или, иначе, барионного заряда. К барионам относятся протон, нейтрон и другие «тяжелые» элементарные частицы. Чем больше барионный заряд атома вещества (а он равен суммарному числу протонов и нейтронов в атомном ядре), тем сильнее силы «антигравитации». То есть чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем сильнее они отталкиваются от протонов и нейтронов другого предмета.

Полагают, что пятая сила в сто тысяч раз слабее гравитации и действие ее проявляется на расстоянии не более 180 метров.

В результате действия пятой силы такие вещества, как железо, с большим числом протонов и нейтронов, будут сильнее отталкиваться Землей, чем, скажем, падающая вода, поскольку в молекулах воды меньше этих частиц. Отсюда: капля воды будет падать быстрее, чем кусок железа.

Эксперименты пока не могут ответить однозначно: быть или не быть пятой силе. Вопрос остается открытым…

О ПОЛЬЗЕ ИНТУИЦИИ

Согласно уравнениям Максвелла, изменяющееся магнитное поле создает меняющееся вихревое электрическое поле. И не только в окружающей среде, но и в пустоте. Оказалось, что электрические силовые линии тоже могут быть замкнутыми, а не обязательно начинаться и кончаться на зарядах. Это означает, что электромагнитное поле может существовать без зарядов. Электрические заряды требуются лишь для возбуждения поля, но в них нет необходимости, чтобы поддерживать его в дальнейшем. Если провести аналогию с волнами на воде, то заряды играют роль камня. Мы видим, как бежит волна по поверхности пруда, несмотря на то, что камень, вызвавший ее, уже покоится на дне.

Электрическое вихревое поле, в свою очередь, рождает магнитное. Таким образом, электрические и магнитные поля, генерируя друг друга, могут свободно распространяться в виде электромагнитной волны и в отсутствие каких-либо зарядов и токов.

Уравнения Максвелла вовлекли электрические и магнитные поля в своего рода общий танец – электромагнитную волну. Неразрывно, мертвой хваткой соединены поля друг с другом, вытаскивают один другого, можно сказать, с «того света». Они заботливо сохраняют друг друга. Допустим, исчезает магнитное поле, но, умирая, оно рождает электрическое поле. Такое же самопожертвование свойственно электрическому полю. Исчезая, оно воскрешает магнитное поле. И пока бежит волна, происходит непрерывная перекачка полей.

Волна может существовать вечно, если не будет поглощена какой-либо средой, в которой рассеет свою энергию. Пример долгожительства электромагнитной волны – так называемое реликтовое излучение, порожденное Большим взрывом, создавшим Вселенную. Реликтовым оно названо именно потому, что несет информацию о давнем ее прошлом.

Когда Максвелл определил скорость распространения электромагнитной волны, то она получилась близкой к скорости света. Что это? Случайное совпадение? Максвелл не прошел мимо него… Ведь еще Фарадей показал, что магнит влияет на луч света. А еще ранее англичанин Юнг и француз Френель доказали волновую природу света. Значит, свет тоже электромагнитная волна! Так Максвелл совершил одно из великих обобщений в физике.

Не просто было прийти к такому выводу. Дело в том, что скорость света была в то время определена ошибочно и принималась равной 193 118 миль в секунду. Максвелл тоже счастливо ошибся и нашел, что скорость распространения электромагнитных колебаний в эфире равна 193 088 миль в секунду.

Да, дерзкой догадке улыбнулся случай. Не всегда он приходит на помощь в науке. Английский физик Джине провел интересную историческую параллель между открытиями Максвелла и Ньютона: «Ситуация была сравнима по своей драматической напряженности с великим моментом, когда Ньютон впервые подверг испытанию свой закон всемирного тяготения путем вычислений, связанных с расстоянием до Луны. По несчастливой случайности Ньютон воспользовался неточным значением для земного диаметра, и это привело к настолько неудовлетворительному численному совпадению, что Ньютон отложил свою теорию почти на двадцать лет. С Максвеллом случилось обратное – оба числа, приведенные выше, совпадают с точностью до 30 миль в секунду. И особенно удивительно то, что оба числа ошибочны, с ошибкой большей, чем 60 миль в секунду… К счастью, Максвелл, по-видимому, осознал, что скорость света была найдена далеко не точно, и поэтому не дал обескуражить себя существенному расхождению в числах, как это случилось с Ньютоном».

И еще одно важное следствие Максвелл извлек из своей теории: он предсказал давление света и даже вычислил его величину: «В ясную погоду солнечный свет, поглощаемый одним квадратным метром, дает 123,1 килограммометра энергии в секунду, он давит на эту поверхность в направлении своего падения с силой 0,41 миллиграмма».

Таким образом Максвелл сам указал, как экспериментально проверить свою теорию – получить электромагнитные волны, подобные свету, и измерить давление света.

Но осуществить предсказания Максвелла оказалось не так-то легко. Сам Максвелл, видимо, не предпринимал ничего, чтобы доказать правильность своей теории – получить электромагнитные волны. Правда, ряд исследователей был очень близок к открытию уже в конце 70-х годов прошлого столетия.